Experimentul Michelson-Morley pentru confirmarea eterului

 (Configurația interferometrică a lui Michelson și Morley, montată pe o placă de piatră care plutește într-un jgheab inelar de mercur.)

Experimentul Michelson-Morley a fost efectuat între aprilie și iulie 1887 de către Albert A. Michelson și Edward W. Morley la ceea ce este acum Universitatea Western Reserve din Cleveland, Ohio și publicat în noiembrie a aceluiași an. Ea a comparat viteza luminii în direcții perpendiculare, încercând să detecteze mișcarea relativă a materiei prin eterul staționar luminifer („aether wind”). Rezultatul a fost negativ, deoarece diferența așteptată dintre viteza luminii în direcția mișcării prin eterul prezumat și viteza în unghi drept, sa constatat că nu există; acest rezultat este, în general, considerat a fi prima dovadă puternică împotriva teoriei eterice predominante atunci și a inițiat o linie de cercetare care în cele din urmă a condus la relativitatea specială, care exclude un eter staționar. Experimentul a fost denumit „punctul de plecare pentru aspectele teoretice ale celei de-a doua revoluții științifice”.

Experimentele de tip Michelson-Morley au fost repetate de mai multe ori cu o sensibilitate crescătoare. Acestea includ experimente din 1902-1905 și o serie de experimente în anii 1920. Experimente mai recente cu rezonator optic au confirmat absența oricărui vânt eteric la nivelul 10⁻¹⁷. Împreună cu experimentele Ives-Stilwell și Kennedy-Thorndike, experimentele de tip Michelson-Morley formează unul dintre testele fundamentale ale teoriei relativității speciale.

Experimentele

Michelson a avut o soluție la problema construirii unui dispozitiv suficient de precis pentru a detecta fluxul eteric. În 1877, în timp ce preda la Academia Națională a Statelor Unite din Annapolis, Michelson a realizat primele experimente de viteză a luminii cunoscute ca parte a unei demonstrații în clasă. În 1881, a părăsit serviciul Naval din S.U.A., și și-a încheiat studiile în Germania . În acel an, Michelson a folosit un prototip experimental pentru a face mai multe măsurători.

Concluzia lui a fost că ipoteza lui Fresnel despre un eter staționar cu deplasare parțială a eterului ar fi trebuit respinsă și, astfel, a confirmat ipoteza lui Stokes de deplasare completă a eterului.

Alfred Potier (și mai târziu Hendrik Lorentz) a subliniat că Michelson a făcut o eroare de calcul. Aparatul lui Michelson a fost supus unor erori experimentale mult prea mari pentru a spune ceva concludent despre vântul eteric. Măsurarea definitivă a vântului eteric ar necesita un experiment cu o precizie mai mare și controale mai bune decât originalul. Cu toate acestea, prototipul a reușit să demonstreze că metoda de bază era fezabilă.

(Ilustrarea căii luminii folosită în interferometrul Michelson-Morley care a permis o lungime a traseului de 11 m. a este sursa de lumină, o lampă cu ulei. b este un separator de fascicul. c este o placă compensatoare astfel încât atât fasciculele reflectate cât și cele transmise călătoresc prin aceeași cantitate de sticlă (importantă fiindcă experimentele au fost executate cu lumină albă care are o lungime de coerență extrem de scurtă, care necesită o potrivire exactă a lungimilor optice ale traseului pentru a fi vizibile; pentru alinierea inițială a fost folosită lumina monocromatică produsă de sodiu) d, d’și e sunt oglinzi. e’ este o oglindă de reglare fină. f este un telescop.)

În 1885, Michelson a început o colaborare cu Edward Morley pentru a confirma cu mai multă precizie experimentul lui Fizeau din 1851 privind coeficientul de rezistență al lui Fresnel, pentru a îmbunătăți experimentul lui Michelson din 1881 și pentru a stabili lungimea de undă a luminii ca standard de lungime. În 1886, Michelson și Morley au confirmat cu succes coeficientul de rezistență al lui Fresnel – acest rezultat a fost, de asemenea, considerat o confirmare a conceptului staționar despre eter.

Acest rezultat le-a întărit speranța de a găsi vântul eteric. Michelson și Morley au creat o versiune îmbunătățită a experimentului Michelson cu o precizie suficientă pentru a detecta acest efect ipotetic. Experimentul a fost efectuat în mai multe perioade de observații concentrate între aprilie și iulie 1887, în subsolul Adelbert Dormitory din WRU (ulterior redenumit Pierce Hall, demolat în 1962).

S-au așteptat ca efectul să fie grafic ca o undă sinusoidală. În plus, datorită rotației Pământului, este de așteptat ca vântul să arate schimbări periodice în direcție și amploare pe parcursul unei zile siderale. Din cauza mișcării Pământului în jurul Soarelui, datele măsurate au fost, de asemenea, de așteptat să prezinte variații anuale.

Cel mai fasimos experiment „eșuat”

După toate aceste idei și pregătiri, experimentul a devenit ceea ce a fost numit cel mai faimos experiment eșuat din istorie. În loc să ofere o perspectivă asupra proprietăților eterului, articolul lui Michelson și Morley din American Journal of Science a arătat că măsurarea este mai mică de o pătrime din deplasarea așteptată dar, „deoarece deplasarea este proporțională cu pătratul vitezei „au concluzionat că viteza măsurată a fostv”probabil mai mică de o șesime” din viteza așteptată a mișcării Pământului pe orbită și „cu siguranță mai mică de un sfert”. Deși această „viteză” mică a fost măsurată, ea a fost considerată prea mică pentru a fi folosită ca dovadă a vitezei în raport cu eterul, și s-a considerat că se încadrează în intervalul unei erori experimentale care ar permite vitezei să fie efectiv zero.

Din punctul de vedere al modelelor actuale de aeter, rezultatele experimentale au fost conflictuale. Experimentul Fizeau și repetiția sa din 1886 de către Michelson și Morley au confirmat aparent eterul staționar cu deplasare parțială și a negat deplasarea completă a eterului. Pe de altă parte, experimentul mult mai precis al lui Michelson-Morley (1887) a confirmat aparent faptul că eterul este deplasat complet și a respins eterul staționar. În plus, rezultatul nul al lui Michelson-Morley a fost în continuare dovedit de rezultatul nul al altor experimente de ordinul doi de diferite tipuri, și anume experimentul Trouton-Noble (1903) și experimentele lui Rayleigh și Brace (1902-1904). Aceste probleme și soluția lor au condus la dezvoltarea transformării Lorentz și a relativității speciale.

După experimentul „eșuat”, Michelson și Morley au încetat măsurarea deplasării eterului și au început să folosească tehnica lor recent dezvoltată pentru a stabili lungimea de undă a luminii ca standard de lungime.

Relativitatea specială

Albert Einstein a formulat teoria relativității speciale până în 1905, derivând transformarea Lorentz și astfel contracția lungimii și dilatarea timpului din postulatul de relativitate și constanța vitezei luminii, îndepărtând astfel caracterul ad-hoc din ipoteza contracției. Einstein a subliniat temelia cinematică a teoriei și modificarea noțiunii de spațiu și timp, cu eterul staționar care nu mai juca niciun rol în teoria sa. El a subliniat de asemenea caracterul de grup al transformării. Einstein a fost motivat de teoria lui Maxwell despre electromagnetism (în forma așa cum a fost dată de Lorentz în 1895) și de lipsa dovezilor pentru eterul luminifer.

Aceasta permite o explicație mai elegantă și mai intuitivă a rezultatului nul al lui Michelson-Morley. Într-un cadru confortabil, rezultatul nul este evident, deoarece aparatul poate fi considerat ca fiind în repaus, în conformitate cu principiul relativității, deci timpul de deplasare a fasciculului este același. Einstein a scris în 1916:

”Deși diferența estimată dintre aceste două situații este extrem de mică, Michelson și Morley au efectuat un experiment care implică interferențe în care această diferență ar fi putut fi detectată în mod clar. Dar experimentul a dat un rezultat negativ – un fapt foarte derutant pentru fizicieni. Lorentz și FitzGerald au salvat teoria din această dificultate, presupunând că mișcarea corpului față de acel corp produce o contracție a corpului în direcția mișcării, cantitatea de contracție fiind suficientă pentru a compensa diferența de timp menționată mai sus. Comparația cu discuția din secțiunea 11 arată că, din punctul de vedere al teoriei relativității, această soluție a fost cea corectă. Dar, pe baza teoriei relativității, metoda de interpretare este incomparabil mai satisfăcătoare. Conform acestei teorii, nu există un sistem de coordonate „special favorizat” (unic) care să ofere ocazia introducerii unei alte idei și, prin urmare, nu poate exista nici un fel de derivă, niciun experiment cu care să se demonstreze . Aici contracția corpurilor în mișcare rezultă din cele două principii fundamentale ale teoriei, fără introducerea unor ipoteze particulare; și ca principalul factor implicat în această contracție, nu găsim mișcarea în sine, la care nu putem atașa niciun sens, ci mișcarea în raport cu corpul de referință ales în cazul particular avut în vedere. Astfel, pentru un sistem de coordonate care se deplasează cu pământul, sistemul de oglinzi al lui Michelson și Morley nu este scurtat, dar este scurtat pentru un sistem de coordonate care este în repaus relativ la soare.”
— Albert Einstein,  Relativity: The Special and General Theory, 1916

În ce măsură rezultatul nul al experimentului Michelson-Morley l-a influențat pe Einstein este discutabil. Referindu-se la unele afirmații ale lui Einstein, mulți istorici susțin că el nu a jucat un rol semnificativ în calea sa spre relativitatea specială, în timp ce alte afirmații ale lui Einstein sugerează că probabil a fost influențat de el. În orice caz, rezultatul nul al experimentului Michelson-Morley a ajutat noțiunea de constanță a vitezei luminii să câștige o acceptare larg răspândită și rapidă.

Relativitatea specială este, în general, considerată soluția la toate măsurătorile negative ale eterului (sau izotropia vitezei luminii), inclusiv rezultatul nul al lui Michelson-Morley. Multe măsurători de mare precizie au fost efectuate ca teste ale relativității speciale și căutări moderne pentru încălcarea lui Lorentz pentru fotoni, electroni, nucleoni sau neutrini, toate confirmând relativitatea.